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Vidéo de la leçon : Catalyseurs Sciences

Dans cette leçon, nous allons apprendre comment décrire et expliquer l’effet des catalyseurs, y compris les enzymes, sur la vitesse des réactions chimiques.

12:50

Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire et à expliquer l’effet des catalyseurs, y compris les enzymes, sur la vitesse des réactions chimiques.

Certaines réactions chimiques peuvent être très lentes à démarrer. Les molécules de réactifs ne se combinent pas facilement entre elles pour former directement les produits. Les catalyseurs permettent à la réaction de se produire suivant un chemin plus facile. Ils fournissent une surface particulière qui concentre ensemble les molécules de réactifs afin qu’elles puissent réagir facilement les unes avec les autres. Certains catalyseurs sont des métaux ou des composés métalliques, et les réactifs se fixent à leur surface via la formation d’un composé intermédiaire. À ce stade, le catalyseur est chimiquement impliqué dans la réaction. Après un court laps de temps, les réactifs ont réagi à la surface du catalyseur et les molécules de produit se sont formées. Pour que la réaction soit complète, les molécules de produit doivent ensuite être libérées de la surface du catalyseur.

Le chemin réactionnel du processus impliquant le catalyseur nécessite moins d’énergie pour démarrer. Puisque ce chemin est beaucoup plus facile que la réaction directe sans catalyseur, la réaction a lieu en moins de temps, et sa vitesse est donc plus grande. Grâce à cet exemple, on relève une propriété importante du catalyseur lorsque son travail est terminé. Tout d’abord, le catalyseur n’est pas modifié chimiquement après la réaction. Bien que le catalyseur soit chimiquement impliqué dans la réaction à laquelle il participe, sa structure chimique et ses propriétés sont les mêmes avant et après. On peut donc définir un catalyseur comme une substance qui augmente la vitesse d’une réaction sans être chimiquement modifié de manière permanente.

Pour illustrer le fonctionnement d’un catalyseur, on peut prendre un gramme d’une substance catalytique et l’ajouter à un mélange de réactifs. Si les réactifs étaient impliqués dans une réaction très lente, on pourrait ne pas observer grand-chose. Avec l’ajout du catalyseur, la réaction se produirait très rapidement et des produits se formeraient. Après la réaction, le gramme de catalyseur resterait chimiquement inchangé. Le catalyseur peut être séparé par filtration. Il peut être lavé, séché et réutilisé.

Notez que la masse de catalyseur à la fin de la réaction est exactement la même qu’au début. En réalité, seule une très petite quantité de catalyseur est nécessaire pour accélérer une réaction de manière importante. Un bon exemple de ce phénomène est la réaction de décomposition du peroxyde d’hydrogène. Le peroxyde d’hydrogène a pour formule moléculaire H2O2. Dans cette réaction de décomposition, deux molécules de peroxyde d’hydrogène se décomposent pour former deux molécules d’eau. Une molécule d’oxygène gazeux est formée simultanément. La réaction de décomposition du peroxyde d’hydrogène conduisant à la formation d’eau et d’oxygène gazeux est une réaction très lente sans catalyseur dans des conditions normales. Dans ces conditions, le peroxyde d’hydrogène se trouve à l’état liquide. Si on laissait traîner un bécher de cette substance, on ne verrait pas beaucoup de bulles d’oxygène se former.

Utilisons la décomposition du peroxyde d’hydrogène pour effectuer une expérience simple qui illustre le fonctionnement d’un catalyseur. Deux tubes à essai sont fixés sur des pieds et remplis d’une même quantité de peroxyde d’hydrogène. Dans des conditions normales et sur une courte période de temps, il n’y aura pas de bulles issues du peroxyde d’hydrogène observées dans aucun des deux tubes à essai. Lorsqu’on ajoute une petite quantité de poudre de manganèse à l’un des tubes à essai, la réaction de décomposition se produit soudainement beaucoup plus rapidement dans ce tube. Le dioxyde de manganèse se trouve sous forme d’une poudre noire et sert de catalyseur pour la décomposition du peroxyde d’hydrogène. Des bulles d’oxygène sont produites rapidement dans ce tube à essai, et la chaleur issue de la réaction crée de la vapeur d’eau.

D’après ces observations, le dioxyde de manganèse agit comme un catalyseur. Dans le tube à essai où aucun catalyseur n’a été ajouté au peroxyde d’hydrogène, aucune bulle d’oxygène n’est observée sur une courte période. Après l’expérience, le catalyseur a pu être séparé et utilisé encore et encore. Dans cet exemple, le dioxyde de manganèse se comporte comme un catalyseur positif en accélérant la réaction.

Certains catalyseurs peuvent avoir l’effet inverse et ralentir la réaction. Ceux-ci sont appelés des catalyseurs négatifs. Un catalyseur négatif est une substance qui ralentit la vitesse d’une réaction chimique sans être épuisé ou modifié lorsque les réactifs se transforment en produits.

Dans la prochaine partie de cette vidéo, nous allons voir comment fonctionnent les enzymes. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques produits par certains types de cellules. Les enzymes sont de très grosses molécules aux formes complexes. L’amylase est un exemple d’enzyme capable de décomposer de grosses molécules d’amidon. L’amidon se trouve dans la nourriture que nous mangeons. Comme c’est une très grande molécule, elle passe difficilement à travers la paroi intestinale lors de la digestion. La molécule d’amidon doit être décomposée en plus petites molécules de sucre pour pouvoir être absorbée par le corps. En fait, elle se fixe à l’enzyme au cours du processus de digestion. À la fin de la réaction chimique, l’enzyme est inchangée et de plus petites molécules de sucre sont libérées.

Voyons maintenant une expérience simple pour observer l’effet d’une enzyme. L’expérience implique de nouveau la décomposition du peroxyde d’hydrogène. Deux béchers en verre sont d’abord remplis d’une petite quantité de la même solution de peroxyde d’hydrogène. Un petit morceau de patate douce fraîchement coupée est placé dans l’un des béchers. L’autre bécher est laissé tel quel à titre de comparaison. Au bout d’un temps très court, des bulles d’oxygène gazeux se forment dans le bécher contenant la patate douce et le peroxyde d’hydrogène.

Cette observation prouve que la décomposition du peroxyde d’hydrogène se produit rapidement. Aucune bulle d’oxygène gazeux n’est observée dans l’autre bécher, qui ne contient pas de patate douce. La patate douce contient une enzyme naturelle appelée oxydase, qui accélère la décomposition du peroxyde d’hydrogène par rapport aux conditions normales.

Dans la prochaine partie, nous allons examiner les différentes utilisations des catalyseurs et expliquer pourquoi ils sont choisis. Le catalyseur peut être utilisé pour économiser du temps et de l’énergie dans les processus chimiques. On peut le comprendre en observant un diagramme de niveaux d’énergie. Économiser de l’énergie dans un processus chimique signifie également économiser de l’argent. La figure montre qu’une quantité minimale d’énergie doit être ajoutée aux réactifs pour les faire réagir et se transformer en produits. Si un catalyseur est ajouté, il faudra moins d’énergie pour que la réaction se produise. On peut le voir sur le diagramme de profil énergétique de la réaction avec catalyseur. Dans l’industrie, l’utilisation d’un catalyseur permet de gagner du temps mais également le coût de l’énergie nécessaire pour mener à bien un procédé chimique.

Les catalyseurs sont utilisés dans les convertisseurs catalytiques des pots d’échappement des voitures. Les convertisseurs catalytiques contiennent des catalyseurs en métaux précieux qui accélèrent l’élimination des gaz toxiques du flux d’échappement générés par les moteurs à essence ou diesel. Les gaz toxiques issus du processus de combustion du moteur peuvent inclure le monoxyde de carbone, l’oxyde nitrique, le dioxyde d’azote et même du carburant non brûlé. Les métaux catalyseurs utilisés étant précieux, ils sont répartis sur une grande structure de tubes minces en nid d’abeilles afin de maximiser leur surface. Cela signifie qu’une petite quantité de catalyseur répartie à l’intérieur du pot catalytique suffit. À l’intérieur du convertisseur catalytique, les gaz toxiques du moteur sont convertis en produits inoffensifs tels que l’azote, le dioxyde de carbone, l’eau et l’oxygène.

Maintenant, tâchons de répondre à une question pour tester notre compréhension des catalyseurs.

Lequel des énoncés suivants n’est-il pas une caractéristique d’un catalyseur ? (A) Il diminue la quantité d’énergie nécessaire à la réaction. (B) Il modifie la vitesse de réaction, sans affecter le début ou la fin de la réaction. (C) Une grande quantité de catalyseur est souvent nécessaire pour provoquer une réaction. (D) Il peut être lié aux réactifs au cours de la réaction, mais séparé à la fin. (E) Il n’est pas chimiquement modifié par la réaction.

Dans cette question, nous devons identifier l’énoncé qui décrit une propriété qui n’est pas caractéristique d’un catalyseur. Examinons chaque affirmation les unes après les autres pour vérifier leur validité. Le premier énoncé suggère que le catalyseur diminue la quantité d’énergie nécessaire au déroulement de la réaction. On peut étudier cela à l’aide d’un diagramme de profil énergétique. Dans ce diagramme de profil énergétique, R représente les réactifs et P les produits.

C’est vrai que dans toute réaction chimique, il faut augmenter l’énergie des réactifs pour qu’ils puissent réagir. On peut voir sur le diagramme de profil énergétique que cette quantité d’énergie est plus élevée sans catalyseur par rapport au cas où un catalyseur est utilisé. L’affirmation (A) décrit une caractéristique d’un catalyseur, ce n’est donc pas la bonne réponse.

Les catalyseurs modifient la vitesse d’une réaction chimique. Un catalyseur positif accélère la réaction, tandis qu’un catalyseur négatif la ralentit. Les catalyseurs modifient également le début et la fin de la réaction. Les catalyseurs offrent une surface particulière où les molécules de réactifs sont concentrées. Les molécules de réactif forment un composé intermédiaire sur la surface du catalyseur. À ce stade de la réaction, ils sont combinés avec le catalyseur. En fin de réaction, les produits sont finalement libérés de la surface du catalyseur. Bien que ce processus soit différent par rapport à une réaction directe sans catalyseur, les réactifs et les produits sont les mêmes dans les deux cas. L’énoncé (B) décrit les caractéristiques d’un catalyseur et n’est donc pas la bonne réponse.

L’énoncé (C) suggère qu’une grande quantité de catalyseur doit être ajoutée pour démarrer une réaction. Lors de la décomposition du peroxyde d’hydrogène en eau et en oxygène gazeux, il suffit d’ajouter une petite quantité de catalyseur de dioxyde de manganèse pour démarrer la réaction. Dès qu’une petite quantité de catalyseur de dioxyde de manganèse, une poudre noire, est ajoutée au peroxyde d’hydrogène, on observe la formation d’une grande quantité de bulles d’oxygène. L’affirmation (C) n’est donc pas une caractéristique d’un catalyseur et pourrait être la bonne réponse. Pour en être sûrs, nous allons vérifier si les déclarations restantes sont valides.

On a déjà vu que les molécules de réactifs sont liées à la surface du catalyseur pendant la réaction, ce qui permet de les concentrer. Cela aboutit à la formation d’un composé intermédiaire. Pour que le catalyseur fonctionne correctement, les produits doivent être libérés à la fin de la réaction, ils doivent donc être séparés de la surface du catalyseur. En fait, la surface du catalyseur est restée chimiquement inchangée avant et après la réaction. Cela signifie que les deux dernières déclarations sont des caractéristiques d’un catalyseur et ne sont donc pas la bonne réponse.

Affirmation (C), une grande quantité de catalyseur est souvent nécessaire pour déclencher une réaction.

Maintenant, il est temps de passer en revue les points clés de cette vidéo. Les catalyseurs modifient la vitesse d’une réaction chimique sans être consommés ni chimiquement modifiés lors de la transformation des réactifs en produits. Un catalyseur qui accélère une réaction chimique est connu sous le nom de catalyseur positif, tandis qu’un catalyseur qui ralentit une réaction est appelé catalyseur négatif. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques. Ils sont produits par certains types de cellules spécialisées. Les catalyseurs modifient la quantité minimale d’énergie qui doit être ajoutée aux molécules réactives pour les faire réagir. Les convertisseurs catalytiques sont utilisés dans les voitures pour réduire les émissions de gaz polluants nocifs.

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